DE1439969A1

DE1439969A1 - Magnetkern mit einer Anzahl uebereinandergewickelter Bandlagen

Info

Publication number: DE1439969A1
Application number: DE19641439969
Authority: DE
Inventors: Horstman Clifford C
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1963-08-05
Filing date: 1964-07-13
Publication date: 1969-06-12

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Induktionsapparate und im besonderen auf Magnetkerne dafür.

Bei der Herstellung von Magnetkernen z.B. für Transformatoren

werden von der Industrie heute allgemein Elektrostähle verwen-

det, die nur eine magnetische Vorzugsrichtung in der Walzrich-

tung aufweisen. Diese magnetische Vorzugsrichtung erhält man

durch ein geeignetes Kaltwalzen und eine geeignete Glühbehand-

lung von Siliziumstählen, wobei in dem Material eine (110) Zöoa-

Textur erzeugt wird, die auch als Gosstextur bezeichnet wird.

Wenn die Kraftlinien des magnetischen Flusses entlang der Walz-

richtung des Stahles verlaufen, ist die Permeabilität solcher

Stähle bei hohen Induktionen, z.B. bei 13 - 18 Kilogauß, be-

trächtlich höher als die Permeabilität von handelsüblichen

heißgewalzten Siliziumstählen bei gleichen Induktionswerten.

Für eine geeignete Ausnutzung der Eigenschaften dieser einfach

orientierten Stähle sollten diese so verwendet werden, daß die

magnetische Vorzugsrichtung des Stahles mit der Walzrichtung

zusammenfällt. Ringbandkerne sind ein charakteristisches Bei-

spiel zur Ausnutzung der Vorteile dieses Stahles.

In letzter Zeit wurden neue Kaltwalz- und Glühverfahren ent-

wickelt, die einen doppelt orientierten Silizium-Stahl, d.h.,

einen Magnetstahl, der einen hohen Anteil an Körnern mit einer

(100) Z0017-Textur, die auch als Würfeltextur bezeichnet wird,

ergeben. Die magnetischen Eigenschaften solcher Stähle mit Wür-

feltextur zeigen nicht nur in der Walzrichtung ausgezeichnete

Werte, sondern auch, auf die Blechebene bezogen, senkrecht zur

Walzrichtung, wobei die senkrecht zur Walzrichtung gemessenen

Werte nahezu Bleichgut wie diejenigen in der Walzrichtung sind.

Es wurde nun. überraschenderweise gefunden" ds.ß die .nach dem

" neuen Kaltwalz- und Glühverfahren mit einer Würfeltextur ver-

sehenen Silizium-Stähle, d.h. Eisen-Silizium.-Legierungen mit

2 - 5 % Silizium, das ganz oder teilweise durch Aluminium er-

setzt sein kann, bei dem Aufbau von Magnetkernen dann besonde-

re Vorteile erbringen, wenn die daraus hergestellten Ringband-

kerne aus Band von etwa 0,1 mm oder weniger, vorzugsweise aus

Band von 0,05 mm Dicke gewickelt werden.

Die Verbesserung der Leistung des so hergestellten Magnetker-

nes ist in Bezug auf die doppelt orientierten Siliziumstähle,

also in Bezug auf ein Material mit Würfeltextur, noch beachtli-

cher, wenn der Ringbandkern in-einem magnetischen Feld geglüht

wird. Eine Magnetfeldglühung eines Ringbandkernes aus einfach

orientiertem Material bringt dagegen keine wesentliche Verbesse-

rung. Zum besseren Verständnis der Erfindung sei auf die bei-

liegenden Zeichnungen hingewiesen.

Abb. 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die Unter-

schiede der Kristall-Orientierung bei einfach- und doppelt-

orientierten Stählen.

Abt. 2 ist eine perspektivische Datstellung eines gemäß der

Erfindung hergestellten Ringbandkernes.

Abb. 3 ist eine graphische Darstellung, in der die Magnetisie-

rungskurven für Ringbandkerne_aus doppelt und einfach orientier-

tem 0,05 mm dickem Bandmaterial verglichen werden.

Abb. 4 ist eine graphische Darstellung, in der die Kernver-

luste bei 400 Hertz für Ringbandkerne aus doppelt und einfach-

orientiertem 0,05 mm dickem Bandmaterial angegeben werden.

Abb. 5 ist eine graphische Darstellung, in der in Abhängigkeit

von der Induktion die Erregerstromleistungen in VA (Volt-,Ampere)

für Ringbandkerne aus doppelt und einfach orientiertem 0,05 mm

dickem Bandmaterial miteinander verglichen werden.

Abb. 6 ist eine graphische Darstellung, in der die Iagnetisie-

rungskurven von magnetfeldgeglühten und spannung::fr eigeglühten

Ringbandkernen aus doppelt orientiertem 0,05 mra dickem Bandmate

rial einander gegenübergestellt werden.

Abb. 7 ist eine graphische Darstellung, in der magnetfeldge-

glühte und spannungsfrei-geglühte Ringbandkerne aus ;doppelt

orientiertem 0,05 mm dickem Bandmaterial mit anderen Ringband-

kernen aus besonderen Legierungen verglichen werden.

Abb. 8 stellt eine perspektivische Zeichnung eines Apparates

mit teilweise entferntem Gehäuse dar, mit der eine praktische

Anwendung des erfindungsgemäßen Ringbandkernes wiedergegeben

wird.

In Abb. 1 ist ein Metallblech angedeutet, in dem schemat-isch

ein Würfel A eingezeichnet ist, der die Kristallgitterlage

eines einfach orientierten Kornes veranschaulicht. Wenn nun

der überwiegende Teil des Netallblechvolunens aus Körnern be-

steht, die diese Kristallgitterlage aufweisen, bezeichnet man

das Blech als einfach orientiert oder als mit einer Gosstex-';jur

behaftet. In die gleiche Abbildung ist ebenfalls ein Würfel B

eingezeichnet. Der Würfel B veranschaulicht die Kristallgitter-

lage eines doppelt orientierten Kornes, E#Gdawj wenn der

überwiegende Teil des Metallblechvolumens aus Kölnern besteht,

die diese zweite Kristallgitterlage aufweisen, das Blech auch

als doppelt orientiert bezeichnen, bzw. von einem Blech mit

Würfeltextur spricht. Der Würfel A steht auf einer Kante bezüg-

lich der Ebene der gewalzten Blech-Oberfläche. 4 Kanten des

Würfels A sind parallel zur Walzrichtung angeordnet. Die Rich-

tung der leichtesten Magnetisierbarkeit dieser Körner liegt

entlang der Würfelkante, oder der #/Ö017-Richtung. Daher ist die

Richtung der leichtesten Magnetisierbarkeit des Bleches, wenn

eo vorwiegend aus Körnern besteht, die entsprechend dem Wür-

fel A orientiert sind, im wesentlichen die Walzrichtung. Es sei

darauf hingewiesen, daß die Magnetisierung quer zur Rinhtung

des Bleches entlang einer Flächendiagonale oder der L9'107-Rich-

tung des Würfels A erfolgte Es ist aber bekannt, daß diese

Richtung magnetisch viel schlechter ist, als die ZÖ017-Richtung.

Würfel B hat dagegen im Hinblick auf die Blechebene 4 Kanten.in

der Walzrichtung und 4 Kanten in der Richtung quer zur Walz- ..

richtung angeordnet, sodaß die besten magnetischen Eigenschaf-

ten in beiden Richtungen erreicht werden, da-die leichteste '

Magnetisierbarkeit der Körner in der Richtung parallel zu die-

sen Kanten liegt. Ein Blech, das aus Körnern B besteht, weist

daher, sowohl in der Walzrichtung als auch in der Richtung senk.-

recht zur Walzrichtung die höchsten magnetischen Eigenschaften

auf.

Die Verwendung eines doppelt orientierten Stahles für die Her-

stellung eines Ringbandkernes 10 nach Abb. 2 läßt zunächst

keinen erkennbaren Fortschritt gegenüber der Verwendung eines

einfach orientierten Stahles erwarten. Die Richtung der Magne-

tisierung in einem Ringbandkern verläuft in'der Längsachse des

Bandes, sodaß es bei der Verwendung eines doppelt orientierten

Bandes nicht ersichtlich ist, inwiefern die doppelte Orientie-

rung einen Vorteil bringen sollte. Überraschenderweise wurde

jedoch bei Ringbandkernen aua doppelt orientierten Eisen-Sili-

zium-Bändern eine sehr wesentliche Verbesserung der magneti-

sehen Eigenschaften erzielt, vor allem bei hohen Flußdichten.

Abb. 2 zeigt einen Hingbandkern wie er durch Aufwickeln eines

Streifens aus Blechmaterial hergestellt werden kann. Der Blech-

streifen hatte eine magnetische Vorzugsrichtung in der Längs-

achse des Streifens und eine weitere magnetische Vorzugsrich-

tung, die in der Streifenebene senkrecht zu der ersten Vorzugs-

richtung lag. Nach dem Wickeln ist der Kern als solcher noch

nicht formfest. Es ist daher wichtig, den Kern'durch ein geeig-

netes Material und durch ein passendes Verfahren zu verfesti-

gen, da-andernfalls die Erregerstromleistung in Volt-AmpÖre

des Kernes um ein Vielfaches zunehmen kann, wenn das Bindemit-

tel und das Verfestigungs-Verfahrenungeeignet gewählt wurde

und z.B. den Kern verspannt hat. Die Kerne wurden daher in

Vakuum mit'einem Bindemittel getränkt oder direkt in ein Kunst-

harz getaucht, sodaß durch Kapillarwirkung das Harz zwischen

die einzelnen Bandlagen eindrang.

Als günstige Lösung für eine Verfestigung des gewickelten Band-

ring-Kernes hat sich die Verklebung der Kanten des Kernes mit

einem thigotropen Epoxydharz erwiesen. Hierbei dringt das Harz

nur etwa 0,8 mm tief zwischen die einzelnen Bandlagen ein. Es

kann hierfür auch ein anderes geeignetes Kantenbindungs- oder

Verfestigungs-Mittel verwendet werden. Durch die Kanten-Ver-

festigung wird ein Verwerfen des Kernes, das auf die Schrump-

fung des Bindemittels während der Trocknung zurückzuführen ist,

vermieden.

Zur Veranschaulichung der unerwarteten Überlegenheit eines

Ringbandkernes aus Siliziumstahl mit doppelter Orientierung

gegenüber solchem aus einfach orientiertem Siliziumstahl, wur-

den Ringbandkerne aus diesen Materialien hergestellt, deren

Bandstärken jeweils etwa 0,05 mm betrugen und diese Kerne dann

in ihren elektrischen Eigenschaften verglichen. Zunächst wurde

die normale Magnetisierungakurve beider Kerne aufgenommen.

Diese Kurven sind in Abb. 3 abgebildet. Die Induktion oder

FluBdichte in Kilogauß ist auf der Ordinate und die Magneti-

sierungsfeldstärke in Oersted auf der Abszisse aufgetragen.

Die vollausgezeichnete Kurve 20 zeigt die Magnetisierungskurve

für das Siliziumeisen mit doppelter Orientierung und die ge-

strichelt gezeichnete Kurve 22 gibt die Magnetisierungskurve

für das einfach orientierte Siliziumeisen wieder. Die Überle-

genheit des Ringbandkernes aus doppelt orientiertem Material

ist besonders bei höheren Induktionen klar erkennbar. So be-

trägt z.B. die Flußdichte bei einer Magnetisierungsfeldstärke

von 10 Oersted für den Kern mit dem doppelt orientierten Ma-

terial über 19 Kilogauß, während bei derselben Magnetisierungs-

feldstärke die Flußdichte für den Kern mit einfach orientier-

tem Material weniger als 17 Kilogauß beträgt.

Abb. 4 zeigt die Kernverlust-Kurven bei 400 Hz für Ringband-

kerne aus 0,05 mm dickem doppelt und einfach orientiertem Ma-

terial in Abhängigkeit von der Induktion oder Flußdichte, die

in Kilogauß auf der Ordinate aufgetragen ist. Auf der Abezisse

sind die Kernverluste in Watt/kg aufgetragen. Die vollausge-

zeichnete Kurve 30 ist die Kernverlustkurve für das doppelt

orientierte Material und die gestrichelt gezeichnete Kurve ist

die Kernverlustkurve für das einfach orientierte Material. Wie-

der ist die Überlegenheit des doppelt orientierten Materials be-

trächtlich, besonders bei höheren Induktionen. Z.B. beträgt der

Kernverlust bei einer Induktion von 15 Kilogauß für das doppelt

orientierte Material 12,1 Watt/kg, während die Kernverluste für

das einfach orientierte Material-17,0 Watt/kg betragen.

Abb. 5 vergleicht die Erregerleistung (in Volt-Amp@re pro kg)

von Ringbandkernen, hergestellt aus 0,05 mm dicken Blechbändern

aus Siliziumstahl mit doppelter und einfacher Orientierung. Auf

der Ordinate ist die Induktion in Kilogauß und auf der Abszisse

die Erregerleistung in Volt-AmpÖre bei 400 Hz aufgetragen. Die

ausgezeichnete Kurve 40 ist die Erregerleistungskurve für Ring-

bandkerne aus doppelt orientiertem Material und die gestrichelt

gezeichnete Kurve 42 ist die Erregerleistungskurve für Hingband-

kerne aus einfach orientiertem Material. Auch hier zeigen die

aus doppelt orientiertem Material hergestellten Ringbandkerne,

insbesondere bei höheren Induktionen von 15 Kilogauß, eine Erre-

gerleistung von 14,3 Volt-Amp4re/kg für den Kern aus doppelt

orientiertem Material, während bei Kernen aus einfach orientier-

tem Material bei der gleichen Induktion die Erregerleistung

26,4 Volt-Ampäre/kg beträgt.

Zu höheren Frequenzen setzen die Kerne aus doppelt orientiertem

Material ihre Überlegenheit bezüglich der Kernverluste und der

Erregerleistung gegenüber Kernen aus einfach orientiertem Mate-

rial fort. So beträgt z.B. bei 2000 Hz und 15 Kilogauß der Kern-

verlust für das doppelt orientierte Material 105 Watt/kg gegen-

über 130 Watt/kg für das einfach orientierte Material. Ferner

beträgt die Erregerleistung bei 2000 Hz und 15 Kilogauß 110 Volt-

Amp@re/kg für das doppelt orientierte Material und 149 Volt-'

Ampäre/kg für das einfach orientierte Material.

Diese genannten Werte und die Abb. 3, 4 und 5 beziehen sich auf

doppelt und einfach orientierte Ringbandkerne, die in herkömm-

licher Weise spannungsfrei geglüht wurden. Es wurde jedoch ge-

funden, daß die magnetischen Eigenschaften von Ringbandkernen _

aus doppelt orientiertem Material gegenüber den Ringbandkernen

aus einfach orientiertem Material dadurch noch weiter verbes-

sert werden konnten, indem während der Glühbehandlung die Kerne

einem Magnetfeld von 10 Oersted ausgesetzt waren. Dagegen änder-

te eine Magnetfeldglühung die magnetischen Eigenschaften eines

Ringbandkernes aus einfach orientiertem Material in nicht nen-

nenswerter Weise.

Speziell wurde folgende Magnetfeldglühung als erfolgreich gefun-

den: Ringbandkerne aus doppelt orientiertem Material wurden in

trockenem Wasserstoff, mit einem Taupunkt von -25°C, bei 800°C

erhitzt und einem Magnetfeld von etwa 10 Oersted ausgesetzt,

wobei das Feld parallel zur Walzrichtung des Bleches angelegt

war. Da es sich jedoch um doppelt orientiertes Material handelt,

kann das Feld auch senkrecht zur Walzrichtung angelegt werden.

Während der Abkühlung wurde das Magnetfeld aufrecht erhalten,

wobei eine Abkühlungsgeschwindigkeit von 500C pro Stunde nicht

überschritten wurde.

Abb. 6 zeigt einen Vergleich der normalen Magnetisierungskurve

an Ringbandkernen aus Bändern mit doppelt orientierted Material

und einer Banddicke von 0,05 mm, sowohl mit und ohne Magnetfeld-

behandlung. Kurve 50 ist die Magnetisierungskurve nach einer

Magnetfeldbehandlung und Kurve 52 entspricht einer Magnetisie-

rungskurve eines Ringbandkernes, der lediglich in herkömmlicher

Weise spannungsfrei geglüht wurde. Dabei zeigt es sich, daß die

Kurve 50 rechteckiger geworden ist und daher Ringbandkerne aus

doppelt orientiertem Material auch solchen Anwendungen zugäng-

lich sind, in denen eine im wesentlichen rechteckige Hysterese-

schleife benötigt wird. Die Magnetfeldbehandlung vergrößert die

Remanenz, erhöht beträchtlich die Permeabilität, verringert die

Kernverluste und die Erregerleistung und setzt die Koerzitiv-

kreft herab. Beispiele für die Verbesserungen sind in der fol-

genden Tabelle I aufgeführt.

Ringbandkerne aus 0,05 mm starken Bändern

ohne Me,gnetfeld- mit Magnetfeld-

behandlung Behandlung

Restinduktion 11,880 Kilogauß 17,960 Kilogauß

bei 10 0e

Maximal-Perme-22 590 73 170

abilität

Kernverluste 12,2 Watt/kg 9,9 Watt/kg

bei 400 Hz und

15 Kilogauß

Ringbandkerne aus 0,05 mm dicken, doppelt orientierten Bändern,

die sowohl spannungsfrei geglüht sind als auch eine Magnetfeld-

behandlung_erfahren haben, können nicht nur Ringbandkerne aus

einfach orientiertem Material ersetzen, sondern auch für andere

Zwecke eingesetzt werden, so z.B. in speziellen Anwendungen in

Sättigungs--Drosseln, Wechselstrom-Meßinstrumenten, Hilfsvor-

richtungen und als Transformatoren in Instrumenten, die jetzt

ein ausgesuchtes Magnetmaterial wie z.B. Nickeleisen- und Ko-.

balteisen-Zegierungen benötigen: Abb. 7 vergleicht die Magne-

tisierungskurven von einigen speziellen Legierungen mit denen

des spannungsfrei geglühten bzw. magnetfeldbehandelten Bili-

ziumstahles mit doppelter Orientierung. Bei gewissen Anwendun-

gen kann der doppelt orientierte Siliziumstahl 50 %iges, mit

einer Würfeltextur und einer Rechteckschleife versehenes Nickel-

eisen oder 49 %iges isotropes Nickeleisen, insbesondere in An-

ordnungen, die bei höheren Flußdichten arbeiten, ersetzen. Der

doppelt orientierte Siliziumstahl hat die tiefe Koerzitivkraft

des 50 %igen Nickeleisens und kann gleichzeitig bei wesentlich

höheren Flußdichten arbeiten als das Nickeleisen-Material. Dies

ermöglicht daher die Größe und das Gewicht der Magnetkerne zu

vermindern. Ein weiterer Vorteil ist dadurch gegeben, daß ein

Magnetkern aus doppelt orientiertem Siliziumstahl nicht so

-spannungsempfindlich ist.wie ein Magnetkern aus Nickeleisen-

Material.

Abb. 8 zeigt eine praktische Verwendung eines Ringbandkernes in

einer Sättigungs-Drossel 60. Diese Drossel ist hergestellt aus

magnetfeljgeglühtem, doppelt orientiertem Siliziumstahl, mit

verklebten Kanten zur Erlangung größerer mechanischer Festig-

keit und umwickelt mit der notwendigen Zahl von Windungen ei-

nes Leiters oder Drahtes, wobei die Enden des Leiters mit den

Anschlußstücken 62 und 64 verbunden sind. Die mit der elektri-

schen Wicklung versehene Drossel ist von einer geeigneten Iso-

lierung 66 umgeben, die ein Band oder eine sonst geeignete

Isolierung darstellen kann, und in einem Gehäuse 68 angeordnet,

das gegebenenfalls noch weitere Stromkreise enthalten kann.

Abb. 8 zeigt lediglich eine der zahlreichen Verwendungen von

Ringbandkernen aus doppelt orientiertem Siliziumstahl. Andere

Anwendungen sind gewisse Typen wie Impulstransformatoren, Zer-

hacker bis zu 10 000 Hz, ferner auch solche Anwendungen, für

die bisher einfach orientierter Siliziumstahl eingesetzt wurde.

Ringbandkerne aus doppelt orientiertem, spannungsfrei geglühtem

Material, besitzen sowohl mit oder ohne Magnetfeldbehandlung

viele Vorteile gegenüber Kernen aus einfach orientiertem Mate-

rial. Der Kernverlust und die Erregerleistung sind bei dem dop-

pelt orientierten Material geringer, der Hauptvorteil liegt je-

doch darin, daß die Kerne aus doppelt orientiertem Material bei

extrem hohen Induktionen betrieben werden können, welches frü-

her bei gleich niedrigen Kernverlusten und Erregerströmen nicht

möglich war. Diese Vorteile, nämlich die Größe und das Gewicht

von Kernanordnungen zu vermindern, ist besonders wünschenswert

bei der Planung von Magnetanordnungen für die Raum- und Luft-

fahrt. Außer diesen Vorteilen liefert die Magnetfeldglühung

bei Ringbandkernen aus doppelt orientiertem Materiäl eine Hyste-

reseschleife mit einem größeren Rechteckigkeitsverhältnis, das

erlaubt, diese Kerne auch dort einzusetzen, wo bisher Kerne aus

Nickeleisen-Legierungen eingesetzt wurden.

Claims

Patentansprüche 1. Magnetkern mit einer Mehrzahl übereinandergewickelter Bandlagen aus Eisen-Silizium-Legierungen mit einem Siliziumgehalt von 2 - 5 /o, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern aus Eisen-Silizium-Band mit einer Dicke von höchstens 0,1 mm besteht, und daß dieses Band zwei magnetische Vorzugsrichtungen in der Bandebene aufweist, und zwar eine magnetische Vorzugsrichtung in Längsrichtung des Bandes und eine im wesentlichen senkrecht dazu.
2. Magnetkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Bandmaterials 0,05 mm beträgt.
3. Magnetkern nach Ansprüchen 1 lind 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern im gewickelten Zustand geglüht worden ist.
4. Magnetkern nach Ansprüchen 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gewickelte Magnetkern in seiner Form durch ein auf die Kanten der Bandlagen aufgetragenes hitzebeständiges Bindemittel mechanisch verfestigt wird.
5. Magnetkern nach Ansprüchen 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gewickelte Kern in Gegenwart eines Magnetfeldes_geglüht worden ist.